稀土镁合金表面机械研磨处理晶粒细化机理及力学行为研究

By generating nano-crystalline layer on the surface, it may make to improve the overall performance of the materials without changing its chemical composition; surface mechanical attrition treatment (SMAT) is a very effective nano-material surface treatment methods developed recently. This project is focused on a high strength magnesium alloy Mg-Gd system and investigates the effect of RE contents, initial grain size and SMAT processing parameters on the microstructure evolution during SMAT treatments; by using HRTEM to characterize the gradient structure formed on the surface of the alloy, and also study the stress-strain relationship during deformation process, the grain refinement mechanism of SMAT process will be clarified through combination of microstructure investigation and deformation mechanisms studying; finally the low cycle fatigue properties at room temperature will be tested, and the fatigue crack initiation and propagation will be also characterized, in order to understanding the strengthening mechanism of fatigue in the Mg-Gd alloy after SMAT treated. The research results should be a fundamental knowledge for optimizing the process parameters to generate a nano-crystalline layer in the surface of magnesium alloys.

通过在表面生成纳米晶层，有可能使得材料的整体性能提高而不改变其化学成分，表面机械研磨处理（SMAT）是近年来发展起来的非常有效的材料表面纳米化处理方法。本项目以高强度稀土镁合金Mg-Gd系作为研究对象，通过SMAT工艺对材料进行表面纳米化处理，研究稀土元素含量、初始晶粒尺寸及SMAT工艺参数对合金表面微观组织的演变规律；采用高分辨透射电镜对合金表面形成的具有梯度结构的组织进行表征，并将其与SMAT变形过程中的应力-应变关系相对照，深入研究合金在SMAT过程中的晶粒细化机制；最后测试合金的室温低周疲劳性能，研究疲劳裂纹萌生和扩展特征，理解SMAT处理后合金的疲劳强化机制，用以指导稀土镁合金表面纳米化处理工艺参数的优化。

塑性变形是镁合金中实现细晶强化的常用方法，然而受到温度、应变量和应变速率等的限制，通常使用的常规挤轧锻加工方法和大塑性变形技术只能获得微米级和亚微米级晶粒尺寸的镁合金，而难以实现进一步的晶粒细化。表面机械研磨处理（SMAT）作为一种表面纳米化手段，在镁合金中的应用都集中在表面耐磨、耐蚀等方面，很少有将其作为镁合金整体拉伸性能强化手段的科学研究。本项目将SMAT作为一种室温高速率变形的塑性加工方法，研究SMAT过程中镁合金的组织变化及其对镁合金整体室温拉伸性能的影响，并表征分析各微观组织对镁合金性能影响的贡献。.为了更好地调控SMAT变形组织，研究了Mg-3Gd合金以及铸态、固溶（T4）态、时效（T6）态Mg-7Al-2Sn（AT72）合金在SMAT过程中的微观变形机制和晶粒细化机制，发现高密度孪晶在无第二相镁合金的变形和细化中起到重要作用且残留于变形组织中。为了利用变形孪晶进一步强化镁合金，对SMAT变形镁合金进行热处理，观察孪晶界面结构成分演变，并结合截面硬度和室温拉伸性能阐释孪晶强韧化机制。.强韧化机制研究表明，SMAT退火Mg-3Gd合金拉伸过程中发生逐层屈服现象，直至表面超细晶发生屈服后，材料整体进入塑性阶段。由于退火过程使得SMAT变形合金中的局部应力集中和位错密度过高有所消除和缓解，因此屈服强度的提高主要来源于结构本身，且后续塑性阶段的应变硬化得以充分发挥，所以材料的塑性也比较可观。表面细晶区硬度较高，使得裂纹长大扩展受到位错硬化的同时，还受到结构本身较高硬度的阻碍，因此梯度结构也有助于材料增韧。.综上所述，本项目研究发现SMAT变形结合退火处理是一种制备梯度结构镁合金的有效方法，可获得表面纳米晶、过渡晶和中心孪晶组织，分别为材料整体拉伸性能提供细晶强化、背应力强化和孪晶强化效果。在梯度结构中协同应用多种强韧化机制，不同于制备均匀组织、发展一种强化机制的传统研究思路，为突破镁合金强韧化瓶颈提供了新的可能性。